模块化膏体充填站研究与开发.pdf

分类号TD40 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 模块化膏体充填站研究与开发 作者姓名 张永硕 指导教师 王桂梅 教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学科专业 机械工程 所在单位 机械与装备工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Research and Development of Modular Research and Development of Modular Paste Filling StationPaste Filling Station Candidate Zhang Yongshuo Supervisor Prof. Wang Guimei Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mechanical Engineering College/Department College of Mechanical and Equipment Engineering Hebei University of Engineering May, 2018 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、 使用学位论文的规 定。 特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘摘 要要 以坚持绿色开采、 “全采全充”为理念的煤矿膏体充填采矿技术已经在我国 的部分煤矿得到应用。 但当前固定式煤矿膏体充填站集成运行全部充填设备， 存 在初期投资及吨煤充填开采成本相对较高的问题， 尤其在采矿完成后充填站大多 数设备无法回收、 转移再利用。 虽然固定式煤矿膏体充填站对于采煤时的环境保 护问题十分有利， 但其高额的投入成本及无法回收的缺点在很大程度上限制了膏 体充填采煤技术的大力推广。 鉴于此， 本文针对煤矿膏体充填站的可转场重构再 利用问题进行研究。 本文通过分析某煤矿固定式膏体充填站总体结构、 机电产品的可拆卸设计方 法、 机电系统的模块化设计方法及设备的转场运输超限设计， 提出了针对煤矿膏 体充填站的可转场重构模块化设计方法， 同时建立了可转场重构的模块化设计准 则，并通过 AHP 法求解了模块划分准则的相对权重。 本文针对膏体充填站模块划分过程中的不确定性问题引入粗糙集理论及模 糊聚类数学方法。 将以粗糙数形式表示的膏体充填站零部件关联强度矩阵转化为 模糊等价矩阵，通过 MATLAB 求解了模糊等价矩阵粗糙上限及粗糙下限的动态 聚类图。 根据模块划分粒度适中原则， 在粗糙上限及粗糙下限动态聚类图中选取 了划分结果相同的三个方案作为膏体充填站的初始划分方案。 以模糊综合评价理论为基础建立了膏体充填站的初始划分方案评价方法。 确 定了针对煤矿膏体充填站模块划分的两级评价指标体系， 以隶属度最大为原则建 立了各指标的隶属函数。 通过求解各方案在二级指标下的隶属度及一级指标评价 矩阵，最终确定了膏体充填站的最优划分方案。 关键词关键词煤矿膏体充填站；转场重构；模块化；模糊聚类分析；模糊综合评价 万方数据 Abstract II Abstract With the idea of adhering to green mining and “full mining full charge“, the mining technique of plaster filling in coal mine has been applied in some coal mines in our country. But at present, the fixed coal paste filling station is all filled with equipment. There is a relatively high cost of initial investment and ton coal filling and mining. Especially after the completion of mining, most of the equipment in the filling station cant be recovered, transferred and reused. Although the fixed coal paste filling station is very beneficial to the environmental protection during coal mining, the high cost and the failure to recover it largely limit the popularization of paste filling technology. In view of this, this paper studies the reutilization of the reconfigurable field in the coal mine paste filling station. In this paper, through the analysis and design of the ferry transportation transfinite equipment modular design of a fixed type coal mine paste filling station overall structure, mechanical and electrical product design for disassembly , electromechanical system, aiming at coal mine paste filling station can transfer reconfigurable modular design , and establishes a modular design criteria field reconstruction and, through the AHP to solve the relative weights of module partition criterion. In this paper, the rough set theory and fuzzy clustering are introduced to solve the uncertainty problem in the module division process of the paste filling station. The correlation strength matrix of paste filling station components is transed into fuzzy equivalent matrix represented by rough number, and the dynamic clustering diagram of fuzzy equivalent matrix upper limit and rough lower limit is solved by MATLAB. According to the principle of module granularity and moderate granularity, the three schemes with the same division results are selected as the initial partition scheme of paste filling station in rough upper limit and rough lower limit dynamic clustering diagram. Based on the theory of fuzzy comprehensive uation, the uation of initial partition scheme for paste filling station is established. The two grade uation index system for the module division of the coal mine paste filling station is determined, and the membership function of each index is established on the 万方数据 Abstract III principle of maximum membership degree. By solving the membership degree and the first grade index uation matrix of each scheme under the two level index, the optimal partition scheme of the paste filling station is finally determined. Keywords Coal Mine paste filling station; reconstruction of transfer field; modularization; fuzzy cluster analysis; fuzzy comprehensive uation 万方数据 目录 I 目 录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................ II 第第 1 章章 绪论绪论 ................................................................................................................. 1 1.1 课题来源与意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2 1.2.1 产品模块化研究现状 .......................................................................... 2 1.2.2 机电系统拆卸性研究现状 .................................................................. 2 1.2.3 膏体充填站发展现状 .......................................................................... 3 1.3 论文主要研究内容 ......................................................................................... 4 1.4 本章小结 ........................................................................................................ 5 第第 2 章章 基于转场重构的膏体充基于转场重构的膏体充填站模块化设计方法填站模块化设计方法 ............................................. 7 2.1 膏体充填站结构分析 ..................................................................................... 7 2.2 机电产品可拆卸设计 ..................................................................................... 8 2.3 机电系统模块化设计 ..................................................................................... 9 2.3.1 模块化设计过程 .................................................................................. 9 2.3.2 模块划分基本原则 ............................................................................ 10 2.4 转场运输超限设计 ....................................................................................... 11 2.5 膏体充填站可转场重构的模块化设计模型 ............................................... 11 2.5.1 可转场重构的模块化设计方法 ........................................................ 11 2.5.2 转场重构模块化设计准则 ................................................................ 13 2.6 本章小结 ....................................................................................................... 15 第第 3 章章 基于转场重构的膏体充填站模块化设计数学模型基于转场重构的膏体充填站模块化设计数学模型 ................................... 17 3.1 粗糙集理论 ................................................................................................... 17 3.1.1 传统粗糙集理论 ................................................................................ 17 3.1.2 功能结构评价值的粗糙边界区间 .................................................... 18 3.1.3 充填站零部件相关性的粗糙数转化 ................................................ 19 3.2 基于 AHP 的准则权重确定 ......................................................................... 21 3.2.1 AHP 基本原理 .................................................................................... 21 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 II 3.2.2 转场重构模块化设计准则权重 ........................................................ 22 3.3 基于模糊聚类的模块划分 ........................................................................... 25 3.4 可转场重构模块化设计数学算法 ............................................................... 26 3.5 本章小结 ....................................................................................................... 27 第第 4 章章 膏体充填站模块划分方案模糊综合评价膏体充填站模块划分方案模糊综合评价 ................................................... 29 4.1 模糊综合评价基本原理 ............................................................................... 29 4.2 膏体充填站模块划分方案评价指标 ........................................................... 30 4.2.1 充填站模块划分方案评价指标体系的建立 .................................... 30 4.2.2 充填站模块划分方案评价指标分析 ................................................ 31 4.3 膏体充填站模块划分方案模糊综合评价模型 ........................................... 34 4.4 本章小结 ....................................................................................................... 36 第第 5 章章 膏体充填站转场重构模块划分膏体充填站转场重构模块划分 ................................................................... 37 5.1 膏体充填站零部件相关性评价 ................................................................... 37 5.2 膏体充填站模糊聚类求解 ........................................................................... 40 5.2.1 充填站零部件模糊聚类求解 ............................................................ 40 5.2.2 充填站初始划分方案选择 ............................................................... 40 5.3 充填站模块划分方案模糊综合评价 ........................................................... 47 5.4 本章小结 ....................................................................................................... 55 第第 6 章章 充填站模块集成方案充填站模块集成方案 ................................................................................... 57 6.1 充填站模块划分总体方案分析 .................................................................. 57 6.1.1 模块功能结构分析 ........................................................................... 57 6.1.2 模块快速安装方案 ........................................................................... 58 6.2 充填站模块结构设计 .................................................................................. 59 6.3 充填站超限模块运输方案 .......................................................................... 60 6.4 本章小结 ...................................................................................................... 62 总结与展望总结与展望 ................................................................................................................. 63 1.全文工作总结 .................................................................................................. 63 2.工作展望 .......................................................................................................... 64 致致 谢谢 ......................................................................................................................... 65 参考文献参考文献 ................................................................................................................. 67 作者简介作者简介 ..................................................................................................................... 69 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 ............................................................. 69 万方数据 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题来源与意义课题来源与意义 煤炭作为基础能源，自十八世纪以来一直是各国的能源结构中最重要的一 环。随着煤炭的不断开采，越来越严重的环境问题摆在世人的面前，采煤区的地 表塌陷造成严重的生态环境及生态平衡被破坏的问题、 煤矸石产生的固体废物危 害着自然环境、采空区造成的地质环境的变化等问题都是不可逆转的。 尽管我国幅员辽阔， 我国的煤炭储量也占据了世界煤炭总量的 12， 但由于 我国人口密度大，城镇、村庄密度也相对较大，同时在经过近几十年的不断开采 后， 大储量易开采煤层逐渐减少， 如果按照粗放的开采方式继续延续先破坏后治 理的方法，将会对耕地、水源等造成严重破坏，因此必须坚持当前绿色采煤的思 想、坚持进一步发展充填采煤工艺方法、坚持“全采全充”的发展理念。 伴随能源结构的深刻变革， 国家倡导可再生能源的发展， 不断调整能源结构， 同时为主导推进我国煤炭开采及生产方式的改变，2016 年底国家能源局、发改 委印发了煤炭工业发展“十三五”规划，强调推广充填采煤技术，保护生态 环境，2017 年国土资源部在内的七个部门又联合发布了关于加快建设绿色矿 山的实施意见，进一步要求加快绿色矿山的建设进程，实现科学发展。 充填采矿法是指采煤时不断向采空区充填煤矸石、建筑垃圾等的开采技术， 主要工艺技术有固体材料充填、膏体材料充填以及高水材料充填等方法[1]，其中 以膏体充填采矿技术应用最广。 充填采矿法作为当前煤矿提升回采效率、 有效控 制地面塌陷及处理矿山固体废料的重要手段，已经得到广泛应用与发展[2]。我国 经过多年的技术引进与发展， 膏体充填技术得到很大提高， 但当前固定式煤矿膏 体充填站集成运行全部充填设备， 存在初期投资较高， 吨煤充填成本也相对较高、 充填工艺复杂、生产效率不高、生产规模较小等问题，尤其在采矿完成后的回收 再利用率低及重复设计率高的缺点，限制了煤矿开采效益的提升[3]。固定式膏体 充填站尽管对于采煤时的环境保护问题十分有利， 但其高额的投入成本及无法回 收的缺点在很大程度上限制了膏体充填采煤技术的大力推广。 基于上述问题，将模块化思路引入膏体充填站的设计当中，其目的有二第 一， 主要解决膏体充填站建站初期高额的成本投入问题， 当前固定式充填站均按 照“百年工程”建设，其设计寿命均远大于当前待开采煤层的设计开采时间，因 此切合生产实际的充填站设计尤为重要；第二，为膏体充填站转场、二次利用提 供新思路，降低充填站初期投资成本的同时，在充填采煤结束后，将充填站快速 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 拆解并运输至下一个站点， 并可进行快速组装投产， 模块化的膏体充填站可转场 设计，不仅可以降低初期投入成本，还可避免重复设计、重复建站、重复高额投 入的问题。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 产品模块化研究现状 模块作为一个独立单元， 其概念出现于早期的软件领域， 它是指本身可以完 成特定功能、与其他程序相对独立却又相关联的独立程序片段[4]。而随着研究的 不断深入，现代模块化理论已经被应用到了许多方面，尤其在工程领域，模块化 的设计思想为产品的系列化、规模化及通用性等带来新的发展。 Simon H. A.[5]最早针对复杂系统架构提出了模块化的思想，通过分析发现合 理的模块划分可以使系统架构的复杂程度明显降低；Suh N. P.[6]则对模块化设计 给出了数学定义， 认为模块化设计过程即是寻求产品从功能域到物理域的映射关 系， 该映射关系被表述为设计矩阵， 在初始设计阶段的主要任务便是设计适当的 参数以求解该矩阵。唐涛等[7,8]将绿色设计与模块化设计有机融合，建立也适用 于绿色模块划分的准则及比较矩阵， 最终完成基于绿色模块化的产品划分方案并 得到实例验证。宗鸣镝等[9]根据不同用户的不同需求，如面向设计、面向制造、 面向产品族等， 提出多角度分级的模块划分方法， 以用户的不同需求为目标定义 相关矩阵并求解划分结果。张学玲[10]在详细分析龙门加工中心结构及布局的基 础上， 阐述了广义模块化设计理论的原理及方法， 并由此提出了基于数控机床的 广义模块化设计的划分方法及流程。滕晓艳[11]以层次划分模型为基础建立复杂 机电系统的面向生命周期某一因素的模块划分准则， 并用模糊聚类的方法完成了 对复杂系统的模块划分。 从以上模块化研究可以看出，模块化设计已经渗透至机、电、产品设计等多 个行业并得到迅速发展， 模块化设计成为产品多样化及大型产品快速定制的基本 手段。 固定式膏体充填站集成设备较多， 因此将模块化设计运用至大型集成膏体 充填站的设计中将有助于充填站的快速设计及建设投产。 1.2.2 机电系统拆卸性研究现状 拆卸性是对产品的拆卸程度的评价，产品的可拆卸设计[12]作为绿色设计的 重要方法之一， 不仅将零部件的可装配性作为设计目标， 更将产品的拆卸性作为 万方数据 第 1 章 绪论 3 设计原则， 使得产品的零部件在使用过程中或结束时可以方便、 无损地拆卸下来， 以便于维修或者重复利用。 高建刚等[13]综述了国内外关于机电产品拆卸的相关问题研究，并重点介绍 了机电产品拆卸的设计方法、产品拆卸的规划过程、拆卸工具及系统配置问题。 徐伟等[14]为使产品的生命周期闭合，详细分析了机电产品的可拆卸设计准则以 及可拆卸回收的实现方法。陈志伟等[15]基于层次分析法对已构建的拆卸评价体 系进行了相应简化，以拆卸效率为简化目标并得到了很好的结果。张秀芬等[16] 则从可拆卸模型的重建能力及变更响应速度角度出发， 分析了产品的典型拆卸模 型， 通过比较发现产品的无向图模型重建能力及变更相应速度均很优秀， 为可拆 卸产品设计的拆卸模型研究提供了方向。李名[17]以产品的可拆卸为最终目的， 结合模块化设计理论， 建立了面向产品拆卸的模块化设计模型， 并运用谱聚类算 法对模型矩阵进行了求解， 得到了很好的模块划分方案， 并建立了相应的模块划 分评价指标。胡迪[18]着重介绍了拆卸序列规划问题，提出了基于零件连接关系 的拆卸模型， 有效解决了产品拆卸不完全的问题， 由于该数学模型以拆卸约束准 则为基础，其本身的完备性保证了拆卸的普遍适用性。Das 等[19]将机电系统的拆 卸所需时间、 拆卸的可达性优劣以及拆卸力的大小等进行综合， 建立了用以评价 拆卸难度的综合评价体系。Scott 等[20]在综合了机电系统零部件的拆卸方向、拆 卸所用工具并同样考虑了拆卸可达性等因素， 建立了针对机电系统多拆卸方案的 综合评价值指标体系，从而可以对多个拆卸方案进行评价对比。Fujimoto 等[21] 利用信息熵对产品拆卸的支撑、拆卸方向、零部件的自由度进行量化分析，进而 实现拆卸方案的评价分析。 作为绿色设计的重要手段， 可拆卸作为产品完整生命周期的最后一环已经备 考虑进设计中， 而当前的可拆卸设计主要考虑报废拆卸及拆卸维修两个方面， 针 对使用过程中的拆卸转运研究较少， 因此本文基于产品的可拆卸思想， 并结合模 块化设计方法， 提出了可转场重构的模块化设计思想， 对固定式膏体充填站进行 转场重构分析。 1.2.3 膏体充填站发展现状 充填采矿技术始于上世纪 40 年代的国外采矿企业，它以处理废弃矸石为主 要目的，并逐渐在有色金属矿山的开采中得以应用，由于其自身目的性不强，仅 用于处理废矸石，因此并未建立完整的充填站[22]。从 50 年代开始出现水砂充填 技术， 我国业余 50 年代后期将该技术引进并逐步发展[23]。 至上世纪六七十年代， 随着混凝土胶固料用于充填采矿， 全尾砂充填技术迅速得到发展， 时至今日全尾 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 砂充填技术已经成为有色金属矿山充填开采最主要的方法， 经过国内外专家的不 断研究与发展， 形成了一整套成熟的充填技术， 建设有成套稳定运行的全尾砂充 填站[3]，全尾砂充填站一般由砂仓、浓密机、搅拌机及胶固料仓等组成，其核心 部件为深锥浓密机。 膏体充填技术出现于八十年代的德国， 并成功于 Grund 铅锌矿建成投产， 并 由此推广至世界各个国家用于控制采空区地表塌陷问题。 我国于九十年代引进膏 体充填技术，并将其应用于煤矿开采中，由于选煤后剩余的矸石量较大，因此粉 碎矸石成为我国煤矿膏体充填中的主要骨料。 我国的煤矿膏体充填站主要参照混 凝土搅拌站设计建造，称重设备集中于充填楼内，充填楼外侧为粉料仓、骨料破 碎系统及骨料上料系统等[22]。 目前有关膏体充填技术的研究大多为充填系统优化、 充填工艺的改进等， 对 于充填站的设计研究较少， 充填站的建设大多借鉴混凝土搅拌站的设计， 尤其针 对煤矿膏体充填站的模块化研究更少。Chris Lee，Rob Brown[24]通过与固定式和 移动式充填站做对比， 在借鉴混凝土搅拌站模块化的基础上， 阐述了模块化充填 站的优缺点。郑伯坤，江飞飞等[25]针对金属矿山开采尾砂充填进行了集成化研 究，通过对功能划分，将尾沙充填站分为几个功能模块，为充填站的模块化开发 提供了新思路。 1.3 论文主要研究内容论文主要研究内容 本文研究内容是基于河北省科技计划项目 “膏体充填装备优化关键技术联合 研究”（项目编号16394102D）进行的。 本文主要针对煤矿膏体充填站的初期建站成本高、 后期无法回收、 转场再利 用问题提出了针对煤矿膏体充填站的可转场重构模块化设计方法。 主要工作内容 如下 （1）对当前固定式煤矿膏体充填站的发展状况进行了分析